单细胞定序也能分析表观遗传调控,揭开早期胚胎细胞如何分化

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细胞中的遗传讯息储存在 DNA 中,一般情况下 DNA 会与组蛋白(histone)缠绕形成结构稳定的染色质,在要执行转录功能时,组蛋白则会松解开染色质复合物,让 DNA 能够成为基因表现的模板。

组蛋白也参与转译后修饰(post-translational modifications, PTMs)作用,也就是解开 DNA 后,再不改变 DNA 序列的前提下,吸引特定蛋白、催化 DNA 能转录出对应 RNA;例如人体中所有细胞带有同样 DNA,但心肌细胞、皮肤细胞的功能完全不同,就关系到基因调控机制。

近期由荷兰 Hubrecht Institute 团队提出一项新的单细胞定序工具,能同时观察 DNA 包裹形成结构与基因活性关系,更深入解答组蛋白如何调控转译后修饰作用。研究结果发布于《Molecular Cell》。

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单细胞定序揭开细胞间基因结构差异

单细胞定序技术可以针对单个细胞基因组、转录组等遗传物质,进行高通量定序分析,由于具有可以反应不同细胞在基因结构、分子调控等方面的异质性,现在已被大量应用于疾病分析。不过在表观遗传领域,单细胞定序对于追踪特定分子标记仍没有发挥太大作用。

EpiDamID 可辨识转译后修饰的组蛋白位置 

研究团队提出单细胞定序技术 EpiDamID,其技术基础 DamID(DNA adenine methyltransferase identification)为一套可辨识 DNA 上腺嘌呤位点的工具组;腺嘌呤则是容易发生甲基化修饰的分子标记。为了进一步辨识单一细胞中转录后修饰位置,他们将既有 DamID 功能延伸,改良为可辨识执行转译后修饰的组蛋白的定序工具 EpiDamID,能够观察单一细胞 DNA 立体结构差异,以及与基因组转录的关联性。

图片来源/ Molecular Cell

该研究团队已经成功将 EpiDamID 应用于活体定序,例如老鼠胚胎细胞中的 H3K27me3 组蛋白位点甲基化修饰相关机制。另外团队也分析了斑马鱼早期胚胎发育,值得注意的是,他们取得斑马鱼脊索中难以取样的特有染色质,透过少量样本分析就定序出 H3K9me3 组蛋白修饰系统。

发育生物学有力分析工具

转译后修饰因为关系到细胞早期的分化调控,在发育生物学扮演极大作用。又因为胚胎的细胞组成量有限,因此过去难以进行取样分析。 EpiDamID 能以少量细胞为定序单位,并结合上辨识组蛋白的修饰位点功能,不但从 DNA 结构上得知与基因表现的关联,也让单细胞定序的优势成功应用于早期胚胎细胞研究。

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参考资料:
1. Molecular Cell, 2022; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276522002180?via%3Dihub
2. https://www.hubrecht.eu/learning-from-the-single-cell/

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